Conosceremo mai tutti gli stati della materia? Invece di tre, cinquecento
L'anno scorso, i media hanno diffuso l'informazione che "è sorta una forma di materia", che potrebbe essere chiamata superhard o, ad esempio, più conveniente, anche se meno polacca, superhard. Proveniente dai laboratori degli scienziati del Massachusetts Institute of Technology, è una sorta di contraddizione che unisce le proprietà dei solidi e dei superfluidi - cioè liquidi a viscosità zero.
I fisici hanno precedentemente previsto l'esistenza di un supernatante, ma finora non è stato trovato nulla di simile in laboratorio. I risultati dello studio degli scienziati del Massachusetts Institute of Technology sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
"Una sostanza che combina superfluidità e proprietà solide sfida il buon senso", ha scritto nel documento il leader del team Wolfgang Ketterle, professore di fisica al MIT e vincitore del Premio Nobel nel 2001.
Per dare un senso a questa forma contraddittoria della materia, il team di Ketterle ha manipolato il movimento degli atomi in uno stato supersolido in un'altra peculiare forma di materia chiamata condensato di Bose-Einstein (BEC). Ketterle è uno degli scopritori del BEC, che gli è valso il Premio Nobel per la Fisica.
"La sfida era aggiungere qualcosa al condensato che lo avrebbe fatto evolvere in una forma al di fuori della 'trappola atomica' e acquisire le caratteristiche di un solido", ha spiegato Ketterle.
Il team di ricerca ha utilizzato raggi laser in una camera ad altissimo vuoto per controllare il movimento degli atomi nel condensato. Il set originale di laser è stato utilizzato per trasformare metà degli atomi BEC in un diverso spin o fase quantistica. Pertanto, sono stati creati due tipi di BEC. Il trasferimento di atomi tra due condensati con l'aiuto di raggi laser aggiuntivi ha causato cambiamenti di spin.
"Ulteriori laser hanno fornito agli atomi un ulteriore impulso di energia per l'accoppiamento spin-orbita", ha detto Ketterle. La sostanza risultante, secondo la previsione dei fisici, avrebbe dovuto essere "superdura", poiché i condensati con atomi coniugati in un'orbita di spin sarebbero stati caratterizzati da "modulazione di densità" spontanea. In altre parole, la densità della materia cesserebbe di essere costante. Invece, avrà uno schema di fase simile a un solido cristallino.
Ulteriori ricerche sui materiali superduri potrebbero portare a una migliore comprensione delle proprietà dei superfluidi e dei superconduttori, che saranno fondamentali per un efficiente trasferimento di energia. I superduri possono anche essere la chiave per sviluppare magneti e sensori superconduttori migliori.
Non stati di aggregazione, ma fasi
Lo stato superhard è una sostanza? La risposta data dalla fisica moderna non è così semplice. Ricordiamo da scuola che lo stato fisico della materia è la forma principale in cui si trova la sostanza e ne determina le proprietà fisiche di base. Le proprietà di una sostanza sono determinate dalla disposizione e dal comportamento delle sue molecole costituenti. La tradizionale divisione degli stati della materia del XVII secolo distingue tre di questi stati: solido (solido), liquido (liquido) e gassoso (gas).
Tuttavia, allo stato attuale, la fase della materia sembra essere una definizione più accurata delle forme di esistenza della materia. Le proprietà dei corpi nei singoli stati dipendono dalla disposizione delle molecole (o atomi) di cui sono composti questi corpi. Da questo punto di vista, la vecchia suddivisione in stati di aggregazione vale solo per alcune sostanze, poiché la ricerca scientifica ha dimostrato che quello che in precedenza era considerato un unico stato di aggregazione può in realtà essere suddiviso in più fasi di una sostanza che differiscono per natura. configurazione delle particelle. Ci sono anche situazioni in cui le molecole nello stesso corpo possono essere disposte in modo diverso allo stesso tempo.
Inoltre, si è scoperto che gli stati solido e liquido possono essere realizzati in vari modi. Il numero di fasi della materia nel sistema e il numero di variabili intensive (ad esempio pressione, temperatura) che possono essere modificate senza un cambiamento qualitativo nel sistema sono descritti dal principio della fase di Gibbs.
Un cambiamento nella fase di una sostanza può richiedere la fornitura o la ricezione di energia, quindi la quantità di energia che defluisce sarà proporzionale alla massa della sostanza che cambia la fase. Tuttavia, alcune transizioni di fase si verificano senza input o output di energia. Traiamo una conclusione sul cambio di fase sulla base di un cambio di passo in alcune grandezze che descrivono questo corpo.
Nella classificazione più ampia pubblicata fino ad oggi, ci sono circa cinquecento stati aggregati. Molte sostanze, soprattutto quelle che sono miscele di diversi composti chimici, possono esistere contemporaneamente in due o più fasi.
La fisica moderna di solito accetta due fasi: liquida e solida, con la fase gassosa che è uno dei casi della fase liquida. Questi ultimi includono vari tipi di plasma, la già citata fase di supercorrente e una serie di altri stati della materia. Le fasi solide sono rappresentate da varie forme cristalline, nonché una forma amorfa.
Zawiya topologica
Rapporti di nuovi "stati aggregati" o fasi di materiali difficili da definire sono stati un repertorio costante di notizie scientifiche negli ultimi anni. Allo stesso tempo, assegnare nuove scoperte a una delle categorie non è sempre facile. La sostanza supersolida descritta in precedenza è probabilmente una fase solida, ma forse i fisici hanno un'opinione diversa. Qualche anno fa in un laboratorio universitario
In Colorado, ad esempio, è stata creata una goccia da particelle di arseniuro di gallio, qualcosa di liquido, qualcosa di solido. Nel 2015, un team internazionale di scienziati guidato dal chimico Cosmas Prasides dell'Università Tohoku in Giappone ha annunciato la scoperta di un nuovo stato della materia che combina le proprietà di un isolante, un superconduttore, un metallo e un magnete, chiamandolo il metallo Jahn-Teller.
Esistono anche stati aggregati "ibridi" atipici. Ad esempio, il vetro non ha una struttura cristallina ed è quindi talvolta classificato come liquido "superraffreddato". Inoltre - cristalli liquidi utilizzati in alcuni display; stucco - polimero siliconico, plastica, elastico o addirittura fragile, a seconda del tasso di deformazione; liquido super appiccicoso e autoscorrente (una volta avviato, il trabocco continuerà fino all'esaurimento della riserva di liquido nel bicchiere superiore); Il nitinol, una lega a memoria di forma in nichel-titanio, si raddrizza in aria calda o liquido quando viene piegato.
La classificazione diventa sempre più complessa. Le moderne tecnologie cancellano i confini tra gli stati della materia. Si stanno facendo nuove scoperte. I vincitori del premio Nobel 2016 - David J. Thouless, F. Duncan, M. Haldane e J. Michael Kosterlitz - hanno collegato due mondi: la materia, che è oggetto della fisica, e la topologia, che è una branca della matematica. Si sono resi conto che esistono transizioni di fase non tradizionali associate a difetti topologici e fasi non tradizionali della materia - fasi topologiche. Ciò ha portato a una valanga di lavoro sperimentale e teorico. Questa valanga sta ancora scorrendo a un ritmo molto veloce.
Alcune persone vedono ancora una volta i materiali XNUMXD come un nuovo stato unico della materia. Conosciamo questo tipo di nanonetwork - fosfato, stalene, borofene o, infine, il popolare grafene - da molti anni. I suddetti premi Nobel sono stati coinvolti, in particolare, nell'analisi topologica di questi materiali monostrato.
La scienza antiquata degli stati della materia e delle fasi della materia sembra aver fatto molta strada. Ben oltre ciò che possiamo ancora ricordare dalle lezioni di fisica.
